CN108627848B - 用于检测对象的光电传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于检测对象的光电传感器和方法。提出了光电传感器(10)，该传感器具有：光发射器(12)，其用于将光(16)发射到监控区域(18)中；光接收器(26)，其具有第一多个光接收元件(28)以用于接收在监控区域(18)中的对象(20)上反射或漫反射的光(22)；以及开关信号单元(32)，其用于从光接收元件(28)的接收信号生成开关信号。在此，设置了光分布测量单元(36)，其用于在生成开关信号的同时从光接收元件(28)的接收信号生成经由光接收元件(28)进行空间分辨的光分布信号。

Description

用于检测对象的光电传感器和方法
技术领域
本发明涉及用于检测监控区域中的对象的光电传感器和方法。
背景技术
许多光电传感器具有带有成像光学器件或接收透镜以及由多个接收元件或像素组成的行式接收器或矩阵式接收器的接收通道。因此，一方面可以生成空间分辨信号，以表征接收光斑或从光斑位置获得校准信息或测量信息。另一方面，存在这种可能性，即例如通过参数化将像素相互连接成一个组或几个组，并将其共同的信号(特别是和信号)处理成对象确定信号。
这些传感器内的特殊类别使用三角测量法的光学测量原理。通过这种方法，接收器元件上的光斑位置表示对象距离的度量。在这种情况下，可以再次区分用于实际测距(例如，用于评估空间分辨信号)的传感器和具有背景消隐的反射键控器(Reflexionstaster)或消隐背景的光键控器(Lichttaster)(HGA键控器)，这些传感器构成了用于成组地处理成对象确定信号的示例。
消隐背景的光键控器识别对象的存在并且通常将其以二进制开关信号的形式输出。在这种情况下，使用三角测量原理，以通过至少在近区域和远区域中的空间分辨光接收器生成两个接收信号。使用近零或等于零的开关阈值对这两个接收信号的差进行评估，以将对象检测限制在一定的距离范围并将该距离范围之外的对象的接收信号作为背景信号消隐。例如，在DE 197 21 105 C2中公开了一种消隐背景的光键控器，其中在这里设置了开关，以将空间分辨光接收器的各个元件以可变的方式分配给近区域或远区域。
在简单的实施中，作为光接收器，差分二极管就足够了。开关点通过其近距元件和远距元件之间的边界来确定。通过机械调整接收器透镜或接收组件的位置可以调节开关点。如果应以电子方式改变开关点，则使用具有多个小型光接收元件或像素的接收元件，即接收器行，并且通过各自形成一组用于近区域和远区域的光接收元件来替代机械调整。
接收信号不作为原始信号来处理。相反，为了工业环境中足够的鲁棒性，对接收信号进行昂贵的模拟和数字处理。在经济上，这种花销可以仅用于有限数量的接收信号而绝不可能用于每个像素。因此，光接收元件的单信号首先被组合到几个接收通道，然后这几个接收通道以所要求的可靠性和非常高的时间分辨率来工作。这种方案的缺点是，在这种类型的测量中到对象的距离不作为测量变量一同减少。只是知道对象是位于所调节的开关点之前还是之后。
相比而言，用于距离测量的三角测量键控器通过基于像素的信号处理来工作。接收器行的每个光电二极管都单独地整合接收信号。在接收到信号后，将所有像素有序地读出并数字化。如上所述，不可能为这么多的单信号提供对应于通常在消隐背景的光键控器中可以实现的信号处理。测距的三角测量键控器具有降低的恒光稳定性(Gleichlichtfestigkeit)和减少的动态范围，因为每个像素总是从有效光和杂散光中整合完整的接收光。此外，杂散光抑制不好，因为当采样率高时不可能在像素上进行暂时的杂散光过滤。最后，还会产生相当高的响应时间，因为对每次测量而言，非常多像素的接收信号都必须被读出、数字化并进行评估。因此可以说，以高的几何分辨率来取代具有抑制背景的光键控器的高开关频率和良好的干扰抑制的高的时间测量分辨率。
在现有技术中也已知的是，在消隐背景的光键控器中检测所有像素的各个接收信号，即类似扫描接收器行。由此，这就取代并阻止了开关信号生成，因此仅在实际的操作之外(例如，在诊断模式下)才有可能。因此，这种传统的传感器只可以交替地在全开关频率下提供对象的存在或扫描接收器行，因为接收信号的这两种不同的考虑互相排斥。
发明内容
因此，本发明的任务在于，进一步改进具有空间分辨光接收器的传感器和开关信号的生成。
该任务通过用于检测监控区域中的对象的光电传感器和方法来解决。该传感器包括光发射器和光接收器，其中光接收器具有多个光接收元件或像素，优选地，该多个光接收元件或像素在一行中，但是也可以是其它布置，如多行或矩阵。当检测到对象时，由光接收元件的接收信号生成开关信号。可替代地，从光接收器的多个像素组生成多个开关信号。
本发明基于这种基本想法，即将开关信号生成的功能与光分布的检测相结合。为此，光分布测量单元从至少一些光接收元件优选全部光接收元件的接收信号生成空间分辨光分布信号。该光分布信号最终是取决于光接收器上位置的强度或接收电平的函数，特别是每个光接收元件或像素的接收电平的函数。此外，在进一步的评估步骤中，还可以从中确定光斑的位置、光斑的宽度、平均强度和类似的测量信息。在此，对开关信号和光分布信号的评估彼此并行进行或同时进行。特别地，尽管光分布信号也是并行生成的，但当前的开关信号始终以不减小的速率或速度供以使用。
本发明具有的优点是，将快速开关的传感器的优点与设备中光分布的鲁棒确定相结合。换而言之，以不降低的高开关频率同时进行对象检测或边缘检测并且有规律的相对较慢地进行光分布的测量。与仅开关的传感器相比，有关光接收器上能量分布的信息与鲁棒且快速提供的开关信号同步获得以用于测量、调节和诊断的目的。通过这种方式，仅需要很少的额外的费用。使用一样的光学和生成信号的组件，只有评估功能得到扩展。
优选地，光发射器和光接收器构成三角测量布置，即根据三角测量原理彼此布置和定向，使得所发射的、在监控区域中反射的或漫反射(remittieren)的并又在光接收器上接收的光具有取决于被分别扫描的对象的距离的储存信息(Ablage)。在这种情况下，优选地，开关信号单元根据消隐背景的键控器的原理生成开关信号。这意味着，根据对象的存在进行切换，但通过将该距离范围之外的对象的接收信号作为背景信号消隐来限制在一定的距离范围。背景消隐的原理或消隐背景的键控器的原理一开始就进行了描述。由此，在背景消隐时将开关信号产生的功能扩展成基于三角测量的距离测量(位移)，或者换句话说，具有背景消隐的反射光键控器和距离或位移测量传感器在同一传感器中实现。
优选地，光分布测量单元作为测距单元被构造用于从光分布信号确定距离。在这种情况下，从光分布信号来检测光斑的储存信息并根据三角测量原理从中确定被扫描对象的距离的精确测量值。该距离可以由重心、中值或可比较的变量来确定，以用于通过光接收器上的位置与对象距离之间的基于三角测量的转换来确定接收光斑的位置。光分布测量单元的配置首先是纯功能性的，局部或逻辑上直接连接的实际实施只是有利的，但不是强制性的。最终，该评估具体发生在哪个位置对传感器而言是无关紧要的。
优选地，开关信号单元被构造用于根据光分布信号，特别是根据从中确定的距离，来确定用于近的对象的光接收元件和用于远的对象的光接收元件之间的分隔片。在这种情况下，近的对象是在对其进行检测时应切换的对象，而远的对象仅表示待消隐的背景。由于传感器本身可以测量距离，所以很容易通过在所期望的距离呈现对象来示教分隔片。此外，传感器还可以分别测量距背景和对象的距离并将分隔片放置其间。这甚至可以设想用于在运行中进行跟踪。
优选地，向开关信号单元至少提供近区域信号和远区域信号，该近区域信号来自接收近距离对象的光的光接收元件的组合的接收信号，该远区域信号来自接收远距离对象的光的光接收元件的组合的接收信号，其中开关信号单元被构造用于通过阈值来评估近区域信号与远区域信号之间的差以生成开关信号。这是用于根据消隐背景的光键控器的原理生成开关信号的具体方法。名称“近”和“远”只能相对理解，某个绝对的距离可以在一个应用中是近的，而在另一个应用中是远的。由于根据三角测量原理接收光斑会随距离的变化而在光接收器上移动，因此，近区域和远区域之间的过渡区在监控区域中对应于光接收器上的位置，在这里过渡区也被称为分隔片。如前所述，可以机械或电子地调整分隔片。在此，分隔片可以位于两个物理像素之间的边界上，但是也可以子像素精确地定义该分隔片。
优选地，传感器具有用于光接收元件的接收信号的第二多个处理通道，其中第二多个小于第一多个。由此，几个光接收元件分别共享模拟和数字的信号评估，以限制成本和空间要求。特别地，对每个像素单独进行复杂的信号处理在经济上将是困难的。优选地，第二多个甚至明显小于第一多个。然后，成百或甚至更大的数量级的光接收元件将面对只有几个处理通道，最多10个。优选的实施方式用三个或四个处理通道就可应付了。
优选地，近区域信号穿过至少一个近处理通道，而远区域信号穿过至少一个远处理通道。由此，将两个处理通道专门分配给近区域和远区域进行背景消隐。但可以设想将近区域信号或远区域信号分别分布在多个处理通道上，并且在A/D转换时可以导致更有利的调制和改善的噪声性能。然而，在总是代表性地只分别提到近处理通道和远处理通道的以下语言上是没有区别的。
优选地，在用于近区域信号的光接收元件和用于远区域信号的光接收元件之间的分隔片上的光接收元件的接收信号穿过子处理通道，并且开关信号单元将子处理通道的信号成比例地添加到近区域信号和远区域信号用于子像素分辨率。这是实现上述子像素分辨率的一种可能性。分隔片不再依赖于光接收元件之间的物理边界。该比例例如是在调节开关距离或分隔片的位置时大约在示教步骤中确定的因子。然后，将子处理通道的相应比例添加到近区域或远区域。因此，近区域和远区域之间的边界上的像素在所期望的子像素精确的分隔片位置上有效地进行划分。
优选地，至少一个光接收元件的接收信号穿过测量处理通道，其中光分布测量单元由测量处理通道的信号生成光分布信号。因此，存在用于距离测量的单独的处理通道。
优选地，穿过测量处理通道的至少一个光接收元件周期性地变换，以便逐渐建立光分布信号。通过这种方式，通过一种扫描的光接收元件来实现期望的空间分辨率。优选地，变换在例如以测量重复频率发射发射脉冲的重复测量内进行。这种快速的测量重复在许多实施方式中总是设置用于高的开关频率。相应的结果，即测量处理通道的信号，可以存储在中间存储器或寄存器中，其中在循环过程中形成当前的光分布信号。优选地，仅将一个光接收元件的接收信号分别提供给测量处理通道，因为这样一来会产生最高的空间分辨率，并且循环穿过全部的光接收元件。也可以与这两个条件不同。例如，将j>1个光接收元件同时提供给测量处理通道，具有相应的空间分辨率损失，或者在交错处理类型中，在变换时尽管j>1，但只进一步分别移动1<k<j个光接收元件。该循环可以省略部分光接收元件，从而有效地将测量限制在可能的距离的某个子范围。
更优选地，测量处理通道也与开关信号单元连接。其接收信号穿过测量处理通道的至少一个光接收元件可以在那里也这样考虑，就好像它已经一起穿过了远处理通道、近处理通道或者子处理通道一样。这样可以这样进行开关信号生成，如同没有测量处理通道一样，因为所有光接收元件的接收信号以正确的分配继续提供给开关信号单元使用。从开关信号单元的角度来看，测量处理通道像动态变换的，即与不同的光接收元件连接的，远处理通道、近处理通道或者子处理通道的子通道一样运行。
优选地，处理通道被构造用于接收信号的模拟和/或数字信号处理，特别是用放大器、用于恒光分量的滤波器、A/D转换器、平滑滤波器和/或频率滤波器。由此，可以实现更鲁棒的检测。因为只有相对较少的处理通道，故不需要太大的花费也可以用更复杂的组件来工作。示例性的信号处理在模拟部分中设置了放大、恒光分量(DC)的滤出，并在A/D转换之后设置了另外的数字滤波器，例如FIR滤波器。由此，将生成开关信号的高速度与高鲁棒性结合。
优选地，平滑滤波器和/或频率滤波器是至少二阶的FIR滤波器，即阶数m≥2。这意味着，FIR滤波器具有至少2+1＝3个基点(Stützstelle)，并且例如在最简单的情况下是O-S-O(背景-信号-背景)法。在更高的阶数中，可以延续交替O-S-O-S-O…。特别地，通过重复发射光脉冲并扫描相关的接收信号获得信号中的基点，通过中间扫描获得背景中的基点。以不同方式过滤信号的两个或更多个滤波器彼此并行工作也可以。
优选地，传感器具有用于将光接收元件分别与处理通道连接的多路复用单元。由此，可以分配哪个光接收元件属于哪个处理通道。这样就可以通过将光接收元件与近处理通道和远处理通道连接以及必要时与子处理通道连接来调节和改变分隔片。更优选地，多路复用单元是可编程的，以可以简单地改变该分配。
优选地，传感器具有用于输出开关信号的开关输出端和用于输出光分布信号和/或从其导出的测量变量的接口。开关输出端可以以高的开关频率输出二进制的对象或边缘检测结果。同时可以经由模拟或数字的接口通常较慢地传输光分布信号或从中导出的变量。在这种情况下，当前的开关信号也并行提供给光分布信号的较慢的测量过程，特别是提供给每个测量重复。
优选地，光分布测量单元被构造用于从光分布信号来确定电平、漫反射值和/或光斑宽度。这种优选的连续的评估得出了测量变量，对操作者来说，这些测量变量通常比最初仅表示光接收器上的强度分布的光分布信号本身更令人感兴趣。光分布信号的总和或积分是整体电平的度量，这反过来在三角测量布置中距离已知或可确定时是对象漫反射的度量。光斑宽度在具有定向反射的发光对象中将明显更低，从而可从中导出关于光泽效果(Glanzverhalten)的结论。光分布的对称包含有关对象对比度的信息。
优选地，光分布测量单元被构造用于根据开关信号来确定关于前景(Vorgrund)的第一光分布信号或关于背景(Hintergrund)的第二光分布信号。具体而言，光接收元件的接收信号，特别是测量处理通道的接收信号，根据当前的开关状态仅用于相关的光分布信号。为此，可以为这两个光分布信号设置两个不同的中间存储器或寄存器。结果是，光分布信号或空间分辨光分布被分成对象存在或关于前景的以及对象不存在或关于背景的。
特别优选地，对于这两个光分布信号再次分别区分为有源(aktiv)光分布信号和无源(inaktiv)光分布信号。也就是说如果在确定有源光分布信号期间开关信号变换其状态，则产生来自前景和背景的混合的测量结果，该测量结果可能不够可靠。因此，根据这种实施方式，该测量结果不予考虑并进一步将来自先前完整的检测的相关联的无源光分布信号用于进行下游的评估和输出。若有源光分布信号被完整地检测到，则它也用作今后的无源光分布信号。
优选地，传感器具有第二漫射光源，其中光分布测量单元被构造用于在漫射照明下记录背景的光分布信号，以补偿后面的测量。特别地，从而可以发现背景中发光的对象或区域。即使在运行中从那里也会出现干扰反射的光接收元件可以在评估中加以考虑相应的衰减。
根据本发明的方法可以以类似的方式进一步发展并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在优选实施例中示例性地但不详尽地进行了描述。
本申请还提供了以下内容：
1)一种光电传感器，所述传感器具有：光发射器，其用于将光发射到监控区域中；光接收器，其具有第一多个光接收元件以用于接收在所述监控区域中的对象上反射或漫反射的光；以及开关信号单元，其用于从所述光接收元件的接收信号生成开关信号，
其特征在于，
光分布测量单元，其用于在生成所述开关信号的同时从所述光接收元件的接收信号生成经由所述光接收元件中的至少几个光接收元件进行空间分辨的光分布信号。
2)根据1)所述的传感器，其中光发射器和光接收器构成三角测量布置，其中特别地，所述开关信号单元根据消隐背景的传感器的原理生成开关信号。
3)根据2)所述的传感器，其中所述光分布测量单元被构造为距离测量单元，用于从所述光分布信号确定距离。
4)根据2)或3)所述的传感器，其中所述开关信号单元被构造用于根据所述光分布信号，特别是根据从所述光分布信号确定的距离，来确定用于近的对象的光接收元件和用于远的对象的光接收元件之间的分隔片。
5)根据2)至4)中任一项所述的传感器，其中所述开关信号单元被至少提供近区域信号和远区域信号，所述近区域信号来自接收近距离的对象的光的光接收元件的组合的接收信号，所述远区域信号来自接收远距离的对象的光的光接收元件的组合的接收信号，其中所述开关信号单元被构造用于通过阈值来评估所述近区域信号和所述远区域信号之间的差以生成所述开关信号。
6)根据1)-5)中任一项所述的传感器，所述传感器具有用于所述光接收元件的接收信号的第二多个处理通道，其中所述第二多个小于所述第一多个。
7)根据5)和6)所述的传感器，其中所述近区域信号穿过至少一个近处理通道，而所述远区域信号穿过至少一个远处理通道，其中特别地，在用于所述近区域信号的光接收元件和用于所述远区域信号的光接收元件之间的分隔片上的光接收元件的接收信号穿过子处理通道，并且所述开关信号单元将所述子处理通道的信号成比例地添加到所述近区域信号和所述远区域信号以用于子像素分辨率。
8)根据6)或7)所述的传感器，其中至少一个光接收元件的接收信号穿过测量处理通道，并且其中所述光分布测量单元由所述测量处理通道的信号生成所述光分布信号。
9)根据8)所述的传感器，其中穿过所述测量处理通道的所述至少一个光接收元件周期性地变换，以逐渐建立所述光分布信号，其中特别地，所述测量处理通道的信号也被添加到处理通道以用于生成所述开关信号。
10)根据6)至9)中任一项所述的传感器，其中所述处理通道被构造用于对所述接收信号进行模拟和/或数字的信号处理，特别是通过放大器、用于恒光分量的滤波器、A/D转换器、平滑滤波器和/或频率滤波器来对所述接收信号进行模拟和/或数字的信号处理。
11)根据10)所述的传感器，其中所述平滑滤波器和/或频率滤波器是至少二阶的FIR滤波器。
12)根据6)至11)中任一项所述的传感器，所述传感器具有多路复用单元以用于将所述光接收元件与各个处理通道连接。
13)根据1)-12)中任一项所述的传感器，所述传感器具有开关输出端和接口，所述开关输出端用于输出所述开关信号，所述接口用于输出所述光分布信号和/或从所述光分布信号导出的测量变量，特别是电平、漫反射值和/或光斑宽度。
14)根据1)-13)中任一项所述的传感器，其中所述光分布测量单元被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
15)一种用于检测监控区域中的对象的方法，其中将光发射到所述监控区域中并在对象上反射或漫反射之后用多个光接收元件再次接收光，其中从所述光接收元件的接收信号生成开关信号，
其特征在于，
在生成所述开关信号的同时还从所述光接收元件的接收信号生成经由所述光接收元件进行空间分辨的光分布信号。
附图说明
下面将示例性地根据实施方式并参考附图对本发明的其它特征和优点进行更详细的说明。附图的图示出：
图1是三角测量布置的光电传感器的示意性剖视图；
图2是用来对用于背景消隐的处理通道的分布进行说明的像素分辨的光接收器的示意图；
图3是根据图2的像素分辨的光接收器的示意图，但说明了用于距离测量的测量处理通道的分配；以及
图4是用于并行生成开关信号和确定距离的评估的框图。
具体实施方式
图1示出了三角测量布置的传感器10的示意性剖视图。典型的、但不是限制性的应用示例是在侧面驶入的对象上(例如，在传送带上)快速进行的对象和边缘检测。首先对本发明的三角测量布置的传感器10进行说明，接着对其它的实施方式进行说明。
光发射器12经由形成光束的发射光学器件14将光束16发射到监控区域18中。如果光束16落到对象20上，则部分发射光作为漫反射的或反射的光束22返回到传感器10。接收光学器件24接收该漫反射的光束22并将它引导到光接收器26上，在这里将入射光转换成电接收信号。光接收器26具有多个像素或光接收元件28，特别是光电二极管。光接收元件28构成行布置，但是在其它实施方式中也可以布置成矩阵或其它形式。
由于在根据图1的实施方式中具有发射光学器件14的光发射器12相对于具有接收光学器件24的光接收器26之间的偏移的三角测量布置，并且由于光接收元件28沿着光发射器12和光接收器26之间的交叉连接的布置，用虚线示出的近的对象20漫反射的光束22落在其它光接收元件28上的位置在图1中远高于用实线示出的远的对象20漫反射的光束22。因此，接收光斑的位置，也称接收光斑的存放、偏移或位移，是对象20的距离的度量，该位置反映于哪个或哪些光接收元件28检测到接收光斑。
评估单元30与光发射器12连接以对其进行控制且与光接收器26连接，以进一步对光接收元件28的电接收信号进行评估。此外，在开关信号单元32中根据对象20的存在在背景消隐下确定对象确定信号，并在开关输出端34将其输出。与此同时，在这里可以被特别构造成距离测量单元的光分布测量单元36中测量光分布信号，该光分布信号检测光接收元件28上的强度分布。光分布信号或从中导出的测量变量在接口38输出。下面将对评估的实施方式进行更详细的说明。
图2示出了光接收器26的示意性俯视图。不同于图1，光接收器26从纸平面转出来并且还在纸平面内部顺时针旋转90°。为了背景消隐，在近区域和远区域之间定义了分隔片40。其左侧的光接收元件28被分配给近区域42，其右侧的光接收元件28被分配给远区域44。在具有分隔片40的过渡区46处的光接收元件28可以分开处理，以便子像素精确地定义分隔片40。可替代地，分隔片40可以仅放置在光接收元件28之间的边界上。
图3示出了光接收器26的另一示意性俯视图。在这种情况下，分别涉及仅在另一情况下考虑的相同的光接收器26。分配给特定的组或区域不涉及光接收器26本身，而是涉及下游的信号处理和评估。图2示出了背景消隐，而图3则用于说明距离测量。为此，分别选择并读出光接收元件28a。可替代地，在空间分辨率有损失的情况下，也可以选择较大的光接收元件组(j>1)。通过每次重复测量或每次读出信号如箭头所示来移动选择。这样就逐渐产生了所有连续选择的光接收元件28a的空间分辨强度的光分布信号或距离确定信号。优选地，这种循环包括所有光接收元件28，但也可以设想部分选择并从而可以设想电子的距离范围选择。因此，需要扫描类型的光接收器26以用于检测光分布信号，这种类型相对较慢。而根据图2的开关信号生成随着每个读出步骤提供当前的开关信号。
图4示出了评估单元30的实施方式的框图。除了已经提到的开关信号单元32和光分布测量单元36外，该评估单元还具有多路复用单元48和多个处理通道501…50n、50m。多路复用单元48在输入侧与光接收元件28连接并在输出侧与处理通道501…50n、50m连接。处理通道501…50n的n个输出信号被提供给开关信号单元32，至少另一个处理通道50m的输出信号被提供给光分布测量单元36且优选另外提供给开关信号单元32。
多路复用单元48，例如具有由可编程的开关构成的矩阵，分别将光接收元件28组捆绑在处理通道501…50n，50m之一上。在此不排除存在仅由一个光接收元件28构成的组，并且特别地，对于另一处理通道这甚至优选就是这种情况。多路复用单元48的灵活性在处理通道501…50n方面用于分隔片的可调节性。为此，当分隔片固定时或进行机械调整时，多路复用单元不是绝对必需的。
优选地，处理通道501…50n、50m具有未示出的模拟和/或数字信号处理。这除此之外还用于尽可能将通过太阳光和人造光源生成的环境光与有效光完全分开。为此，可以多级地电子去除不同的频率分量。例如，带有电子开关电源的LED灯具的光引起具有直至几百kHz的范围的频率分量的干扰信号。因此有利的是，使具有更高采样率(例如，1MHz)的接收信号数字化，然后使用数字滤波器去除这些干扰频率。具体的实施可以设置用于去除低频的光电二极管电流(DC环路)的滤波器、电流-电压转换器(跨阻放大器，TIA)、模数转换器和数字滤波器(如FIR滤波器)。根据实施方式，这些元件中只有一部分存在。
因此，处理通道501…50n、50m中的每一个自身都能够根据所提供的相关联的光接收元件的接收信号产生对杂散光有很强鲁棒性的输出信号。具有用于每个单独的光接收元件的单独的模数转换的常规距离测量系统在没有可比较的信号处理的情况下必须能应付，并且对干扰有较少的鲁棒性。
作为说明性但非限制性的理解的数值示例是为开关信号生成设置了128个光接收元件28和三个处理通道501…50n。由此，可以使用子像素精确电子可调节的分隔片40在分辨率非常高、对干扰信号有很好的鲁棒性且开关频率高时来显示出背景消隐。可替代地，放弃处理通道501…50n和子像素精确地调节分隔片40的可能性。然后，将处理通道501分配给近区域并将处理通道502分配给远区域。也可能有利的是，使用更多的处理通道501…50n进行工作，因为随后使漫反射的发射光束的能量更分散，这可能会导致更有利的调制或改善的A/D转换器的噪声性能。
借助于来自处理通道501…50n的输出信号，开关信号单元32通过适当的算术逻辑关系和评估生成对象确定信号并在开关输出端34上提供该对象确定信号。为此，例如将开关信号定义为Q：＝((N-F)>thresh)，其中N是分配给近区域的处理通道501…50k的总和，F是分配给远区域的处理通道50k+1…50n的总和，以及thresh是可调节的通常接近零的阈值，其可以具有滞后。这对应于基于三角测量的消隐背景的键控器的典型的开关信号。
为了可以子像素精确地确定分隔片，或者换言之，为了获得开关点的更高的几何分辨率，使用附加的处理通道50i，其在近区域和远区域之间的过渡区46处与恰好一个光接收元件28连接并且用于子像素内插。然后，从修改后的方程Q：＝(N+aV-F>thresh)得出开关状态。在此，a是在调节开关点时被确定的介于1和-1之间的因子，以及V表示附加的处理通道50i的输出信号。
借助于多路复用单元48将至少另一个处理通道50m可变地分配给光接收元件28中的一个。为此，例如设置了计数器PD指数，其在一个周期中连续地穿过光接收元件28。相应的更改可以与重复测量相关联。为此，特别地用脉冲发生器、电源、LED或光发射器12的激光二极管重复地生成单个脉冲或光脉冲包。优选地，PD指数逐步穿过全部相邻的光接收元件28。但是可以设想不同的顺序、省略光接收元件28下更大的步骤、向另一处理通道50m分配多个光接收元件28和/或对光接收元件28的部分区域的限制。
另一处理通道50m的输出信号被存储在光分布测量单元36中，例如存储在寄存器中，并且从而逐渐地建立光分布信号。同时输出信号也可以被提供给开关信号单元32，并通过这种方式例如通过求和来恰好加到相关的光接收元件28根据其位置所属的处理通道501…50n的输出信号。由此，开关信号生成完全不受通过另一处理通道50m和光分布确定或距离确定的附加检测的影响。关于这一点，只有分别来自光接收元件28中的一个的信号不走经由近区域通道或远区域通道501…50n的常用路径，而是走经由另一处理通道50m的特殊路径。
通过这种方式，同时且以高重复率，即特别是每次测量重复或每个发射脉冲一次，产生高鲁棒性的开关信号，该开关信号与具有消隐背景的常规的反射键控器相比在鲁棒性和开关频率方面没有受损，并且另外，即使测量速率更低，同时还组合了可以在其他的测量变量上对其进行评估的完整的光分布信号。特别地，可以从光接收器26上的数字化的光斑分布来确定光斑的位置并从而确定到对象20的距离。在其它的实施方式中，开关信号不是从每个发射脉冲推导出来的，而是从多个测量重复的逻辑关系中推导出来的。与此同时优选地，另一处理通道50m通过每次测量重复对另一光接收元件28进行评估，尽管也可能与此有偏差。
在优选的实施方式中，多路复用单元48的开关矩阵的数据通过移位寄存器来提供。宽度为每像素两位(用于近、子像素、远或“断开”)的第一移位寄存器确定用于开关信号生成的开关矩阵。宽度为每像素一位的第二移位寄存器确定该像素是否与测量-处理-通道连接或者正如由第一移位寄存器所设置的那样连接。优选地，第一移位寄存器仅包含唯一的“1”，否则包含“0”。第一移位寄存器在调整开关点时只需要描述一次，第二移位寄存器在每次重复测量时根据计数器PD指数继续计数。
可以设想的是，对象距离在检测光分布信号期间改变。然后，可能对不同的对象距离取平均值。在许多应用情况下，即当对象在固定的背景前以固定的距离在侧面驶入和经过时，总是仅出现两个对象距离。为此，可以在有利的改进方案中设想区分两个光分布信号，即关于前景的光分布信号和关于背景的光分布信号，并且为此将两个存储器或寄存器保持在光分布测量单元36中。
然后，根据开关状态将另一处理通道50m的输出信号用于检测关于前景的或关于背景的光分布信号。如没有检测到对象，即Q＝0，则检测到关于背景的光分布信号，若反过来检测到对象，即Q＝1，则检测到关于前景的光分布信号。然后，关于背景的光分布信号恰好表示关于开关状态“断开”的光分布，即表示背景的视图，并且关于前景的光分布信号表示关于开关状态“接通”的光分布，因此表示对象的视图。
还可以设想的是，开关状态在检测光分布信号期间改变。然后，光分布信号保持不完整，或者再次不利地取平均值。因此，优选地，在定义的时间窗口内进行开关输出的变换的这种光分布信号被认为不一致而不予考虑。然而为了可提供至少接近当前的光分布信号，可能有意义的是，将用于光分布信号的存储器或寄存器再次加倍成有源的和无源的。分别将来自无源存储器的光分布信号用于进一步的评估和输出。一旦可以在不改变开关状态的情况下就确定新的光分布信号，就将它传输到无源存储器中，或者交换有源和无源存储器的角色。
光分布测量单元36还可以进一步特别是持续地评估各光分布信号，并且在接口38处提供或显示评估结果。这涉及距离确定，其中确定中值或表示接收光斑的位置的其它变量，如光分布信号的重心，以便通过三角测量从中推导出对象距离。其它测量变量可能也是令人感兴趣的。例如，光分布信号的总和或积分是对象漫反射的度量，特别地结合距离信息。从光分布信号中光斑分布的宽度可以作出关于对象表面光泽的陈述，再次特别地结合距离信息。对称性可以用作对象对比度的度量。
在优选的改进方案中，使用光分布测量单元36的结果来调节开关阈值。为此特别地，考虑关于前景和背景的这两个光分布信号来最佳地调节分隔片40。这既适用于设置阶段(示教)，又适用于操作中可能的跟踪。
在另一有利的实施方式中，对象20及其周围由被第二漫射光源照明。然后，光分布信号包含背景的角度分布视图。然后，强发光的背景对象，如可能会影响对象检测的反射的金属表面或铭牌，生成高信号并在下一个评估步骤或示教过程中加以考虑，例如通过衰减或甚至关闭相关的光接收元件28来加以考虑。
至此为止，在许多地方使用消隐背景的键控器对本发明进行了说明。但是，本发明通常还可适用于可以是行式布置或矩阵式布置的其它传感器中，如光切传感器、光带传感器或具有多个评估区域的反射光栅，它们基于使用具有多个光接收元件28的光接收器26。在此，可以选择三角测量布置，但本发明不局限于此。
在这样的传感器中，光分布信号可用于对现存的检测情况进行补充开关信号的评估。例如，发光的对象由于其定向的漫反射特性而在光接收器26上生成一个或更多个更小的光斑，这些光斑可以被识别为光分布信号中的最大值。
如在引言中简要提及的，存在在其光接收器26上定义一个或更多个有源区域的传感器。例如，这种传感器仅粗略地机械对准，然后示教接收光斑位于哪里，并选择相关的光接收元件28且共同评估用于对象检测。对于具有多个有源区域和多个开关或对象确定信号的多通道系统，这同样适用。光分布信号提供所需的信息，以便确定区域。甚至可以在当前的传感器操作中跟踪这些区域，例如以补偿热漂移。
与使有源区域适配应测量的光斑相反，也可以有消隐区域。这些消隐区域又可以是固定的以便例如消隐传送带(Transportband)，或者可以例如由杂散光动态地构成。光分布信号允许事先并且也在进行的操作中来确定、调整和跟踪这些区域。
光分布信号的另一个可设想的评估涉及挡风玻璃的污染，该挡风玻璃通常在光通过的区域封闭传感器壳体。增加的污染会导致传感器中出现更多反射的散射光并从而导致所有光接收元件28的信号电平或多或少均匀地增加。可以说这形成了噪声电平，从它可以识别出污染并输出相应的警告或维护信号。

Claims (44)

1.一种光电传感器(10)，所述传感器具有：光发射器(12)，其用于将光(16)发射到监控区域(18)中；光接收器(26)，其具有第一多个光接收元件(28)以用于接收在所述监控区域(18)中的对象(20)上反射或漫反射的光(22)；以及开关信号单元(32)，其用于从所述光接收元件(28)的接收信号生成开关信号，
其特征在于，
光分布测量单元(36)，其用于在生成所述开关信号的同时从所述光接收元件(28)的接收信号生成经由所述光接收元件(28)中的至少几个光接收元件进行空间分辨的光分布信号，其中所述光分布信号是取决于所述光接收器上位置的强度或接收电平的函数，
所述传感器具有用于所述光接收元件(28)的接收信号的第二多个处理通道(501…50n、50m)，其中所述第二多个小于所述第一多个，以及
所述传感器具有多路复用单元(48)以用于将所述光接收元件(28)与各个处理通道(501…50n、50m)连接，
其中至少一个光接收元件(28、28a)的接收信号穿过测量处理通道(50m)，并且其中所述光分布测量单元(36)由所述测量处理通道(50m)的信号生成所述光分布信号，
其中穿过所述测量处理通道(50m)的所述至少一个光接收元件(28、28a)周期性地变换，以逐渐建立所述光分布信号。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中光发射器(12)和光接收器(26)构成三角测量布置。
3.根据权利要求2所述的传感器(10)，其中，所述开关信号单元(32)根据消隐背景的传感器的原理生成开关信号。
4.根据权利要求2或3所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造为距离测量单元，用于从所述光分布信号确定距离。
5.根据权利要求2或3所述的传感器，其中所述开关信号单元(32)被构造用于根据所述光分布信号，来确定用于近的对象的光接收元件(28)和用于远的对象的光接收元件(28)之间的分隔片(40)。
6.根据权利要求5所述的传感器，其中所述开关信号单元(32)被构造用于根据从所述光分布信号确定的距离，来确定用于近的对象的光接收元件(28)和用于远的对象的光接收元件(28)之间的分隔片(40)。
7.根据权利要求4所述的传感器，其中所述开关信号单元(32)被构造用于根据所述光分布信号，来确定用于近的对象的光接收元件(28)和用于远的对象的光接收元件(28)之间的分隔片(40)。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述开关信号单元(32)被构造用于根据从所述光分布信号确定的距离，来确定用于近的对象的光接收元件(28)和用于远的对象的光接收元件(28)之间的分隔片(40)。
9.根据权利要求2-3和6-8中任一项所述的传感器(10)，其中所述开关信号单元(32)被至少提供近区域信号和远区域信号，所述近区域信号来自接收近距离的对象(20)的光(22)的光接收元件(28)的组合的接收信号，所述远区域信号来自接收远距离的对象(20)的光(22)的光接收元件(28)的组合的接收信号，其中所述开关信号单元(32)被构造用于通过阈值来评估所述近区域信号和所述远区域信号之间的差以生成所述开关信号。
10.根据权利要求4所述的传感器(10)，其中所述开关信号单元(32)被至少提供近区域信号和远区域信号，所述近区域信号来自接收近距离的对象(20)的光(22)的光接收元件(28)的组合的接收信号，所述远区域信号来自接收远距离的对象(20)的光(22)的光接收元件(28)的组合的接收信号，其中所述开关信号单元(32)被构造用于通过阈值来评估所述近区域信号和所述远区域信号之间的差以生成所述开关信号。
11.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中所述开关信号单元(32)被至少提供近区域信号和远区域信号，所述近区域信号来自接收近距离的对象(20)的光(22)的光接收元件(28)的组合的接收信号，所述远区域信号来自接收远距离的对象(20)的光(22)的光接收元件(28)的组合的接收信号，其中所述开关信号单元(32)被构造用于通过阈值来评估所述近区域信号和所述远区域信号之间的差以生成所述开关信号。
12.根据权利要求9所述的传感器(10)，其中所述近区域信号穿过至少一个近处理通道(501…50n)，而所述远区域信号穿过至少一个远处理通道(501…50n)。
13.根据权利要求12所述的传感器(10)，其中，在用于所述近区域信号的光接收元件(28)和用于所述远区域信号的光接收元件(28)之间的分隔片(40)上的光接收元件(28)的接收信号穿过子处理通道(50i)，并且所述开关信号单元(32)将所述子处理通道(50i)的信号成比例地添加到所述近区域信号和所述远区域信号以用于子像素分辨率。
14.根据权利要求10或11所述的传感器(10)，其中所述近区域信号穿过至少一个近处理通道(501…50n)，而所述远区域信号穿过至少一个远处理通道(501…50n)。
15.根据权利要求14所述的传感器(10)，其中，在用于所述近区域信号的光接收元件(28)和用于所述远区域信号的光接收元件(28)之间的分隔片(40)上的光接收元件(28)的接收信号穿过子处理通道(50i)，并且所述开关信号单元(32)将所述子处理通道(50i)的信号成比例地添加到所述近区域信号和所述远区域信号以用于子像素分辨率。
16.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述测量处理通道(50m)的信号也被添加到处理通道(501…50n)以用于生成所述开关信号。
17.根据权利要求1-3、6-8、10-13和15-16中任一项所述的传感器(10)，其中所述处理通道(501…50n、50m)被构造用于对所述接收信号进行模拟和/或数字的信号处理。
18.根据权利要求4所述的传感器(10)，其中所述处理通道(501…50n、50m)被构造用于对所述接收信号进行模拟和/或数字的信号处理。
19.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中所述处理通道(501…50n、50m)被构造用于对所述接收信号进行模拟和/或数字的信号处理。
20.根据权利要求9所述的传感器(10)，其中所述处理通道(501…50n、50m)被构造用于对所述接收信号进行模拟和/或数字的信号处理。
21.根据权利要求14所述的传感器(10)，其中所述处理通道(501…50n、50m)被构造用于对所述接收信号进行模拟和/或数字的信号处理。
22.根据权利要求17所述的传感器(10)，其中所述处理通道(501…50n、50m)被构造用于通过放大器、用于恒光分量的滤波器、A/D转换器、平滑滤波器和/或频率滤波器来对所述接收信号进行模拟和/或数字的信号处理。
23.根据权利要求18-21中任一项所述的传感器(10)，其中所述处理通道(501…50n、50m)被构造用于通过放大器、用于恒光分量的滤波器、A/D转换器、平滑滤波器和/或频率滤波器来对所述接收信号进行模拟和/或数字的信号处理。
24.根据权利要求22所述的传感器(10)，其中所述平滑滤波器和/或频率滤波器是至少二阶的FIR滤波器。
25.根据权利要求23所述的传感器(10)，其中所述平滑滤波器和/或频率滤波器是至少二阶的FIR滤波器。
26.根据权利要求1-3、6-8、10-13、15-16、18-22和24-25中任一项所述的传感器(10)，所述传感器具有开关输出端(34)和接口(38)，所述开关输出端用于输出所述开关信号，所述接口用于输出所述光分布信号和/或从所述光分布信号导出的测量变量。
27.根据权利要求4所述的传感器(10)，所述传感器具有开关输出端(34)和接口(38)，所述开关输出端用于输出所述开关信号，所述接口用于输出所述光分布信号和/或从所述光分布信号导出的测量变量。
28.根据权利要求5所述的传感器(10)，所述传感器具有开关输出端(34)和接口(38)，所述开关输出端用于输出所述开关信号，所述接口用于输出所述光分布信号和/或从所述光分布信号导出的测量变量。
29.根据权利要求9所述的传感器(10)，所述传感器具有开关输出端(34)和接口(38)，所述开关输出端用于输出所述开关信号，所述接口用于输出所述光分布信号和/或从所述光分布信号导出的测量变量。
30.根据权利要求14所述的传感器(10)，所述传感器具有开关输出端(34)和接口(38)，所述开关输出端用于输出所述开关信号，所述接口用于输出所述光分布信号和/或从所述光分布信号导出的测量变量。
31.根据权利要求17所述的传感器(10)，所述传感器具有开关输出端(34)和接口(38)，所述开关输出端用于输出所述开关信号，所述接口用于输出所述光分布信号和/或从所述光分布信号导出的测量变量。
32.根据权利要求23所述的传感器(10)，所述传感器具有开关输出端(34)和接口(38)，所述开关输出端用于输出所述开关信号，所述接口用于输出所述光分布信号和/或从所述光分布信号导出的测量变量。
33.根据权利要求26所述的传感器(10)，其中，从所述光分布信号导出的测量变量是电平、漫反射值和/或光斑宽度。
34.根据权利要求27-32中任一项所述的传感器(10)，其中，从所述光分布信号导出的测量变量是电平、漫反射值和/或光斑宽度。
35.根据权利要求1-3、6-8、10-13、15-16、18-22、24-25和27-33中任一项所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
36.根据权利要求4所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
37.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
38.根据权利要求9所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
39.根据权利要求14所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
40.根据权利要求17所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
41.根据权利要求23所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
42.根据权利要求26所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
43.根据权利要求34所述的传感器(10)，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于根据开关信号来确定关于前景的第一光分布信号或关于背景的第二光分布信号，和/或所述传感器具有第二漫射光源，其中所述光分布测量单元(36)被构造用于在漫射照明下接收背景的光分布信号，以补偿后面的测量。
44.一种用于检测监控区域(18)中的对象(20)的方法，其中将光(16)发射到所述监控区域(18)中并在对象(20)上反射或漫反射之后用多个光接收元件(28)再次接收光，其中从所述光接收元件(28)的接收信号生成开关信号，
其特征在于，
在生成所述开关信号的同时还从所述光接收元件(28)的接收信号生成经由所述光接收元件(28)进行空间分辨的光分布信号，其中所述光分布信号是取决于光接收器上位置的强度或接收电平的函数，
提供第二多个处理通道(501…50n、50m)用于所述光接收元件(28)的接收信号，以及
通过多路复用单元(48)将所述光接收元件(28)与各个处理通道(501…50n、50m)连接，
其中至少一个光接收元件(28、28a)的接收信号穿过测量处理通道(50m)，并且其中由所述测量处理通道(50m)的信号生成所述光分布信号，
其中穿过所述测量处理通道(50m)的所述至少一个光接收元件(28、28a)周期性地变换，以逐渐建立所述光分布信号。
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